仪器设计的基本原则

1、2021/3/111 第三章第三章 测控仪器总体设计测控仪器总体设计 测控仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身 的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总 体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。 要考虑的主要问题有：要考虑的主要问题有： 1.设计任务分析 2.创新性构思 （所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技 术，新理论等） 3.测控仪器若干设计原则的考虑 4.测控仪器若干设计原理的斟酌 5.测控仪器工作原理的选择和系统设计 6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定 7.仪器总体的造型规划 2021/3/112 第一节 设计任务

2、分析 第二节 创新性设计 第三节 测控仪器设计原则 第四节 测控仪器设计原理 第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计 第六节 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定 第七节 测控仪器的造型设计 仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标 来衡量，精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。 本章共分为七节 2021/3/113 第一节第一节 设计任务分析设计任务分析 测控仪器的设计任务一般有三种情况：测控仪器的设计任务一般有三种情况： 1）设计者根据用户专门的需要，针对特定的测控对象，被测参数 或工作特性来设计专用的仪器。 2）设计者根据目前市场需求，设计开发通用产品和系列产品。

3、在 这种情况下，设计者应对市场需求作广泛的调研，以确定适当的仪 器技术指标，达到以最少的产品系列和较全的仪器功能来覆盖最大 的社会需求。 3）设计者超前预测，设计出先进的新型产品，进行开发性设计。 以上不同情况，对设计任务的分析，其侧重考虑的内容和方面 是不同的。通常，设计任务的分析包括以下内容： 2021/3/114 了解被测控参数的特点了解被测控参数的特点 1）了解精度、数值范围（一维、二维、量值范围）、量值性质 （单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求； 2） 按国家标准严格的定义确定仪器工作原理 了解测控参数载体的特点了解测控参数载体的特点 机械与光学载体居多。要考虑载体的大小、形

4、状、材料、 重量、状态等 了解仪器的功能要求了解仪器的功能要求 是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参 数还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、 显示方式、自动诊断、自动保护等。 了解仪器的使用条件了解仪器的使用条件 室内还是室外、在线还是脱机、间断还是连续、环境状况。 了解国内外同类产品的原理和技术水平了解国内外同类产品的原理和技术水平 了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况 设计任务设计任务 的分析的分析 2021/3/115 第二节第二节 创新性设计创新性设计 创新创新是对原设计的继承和发展，我们对现有仪器的原理、

5、功能、特点了解的 愈多，掌握的愈深入，愈容易发现现有仪器的缺陷，从而找到进一步完善和发展的 途径。就测控仪器的总体设计而言,创新设计将体现在:仪器设计所实现的原理、所 达到的功能、所反映出的新方法和新技术等方面。 举例如下举例如下: 1）数控加工机床所必备的刀具预调仪（仪器原理上的创新） 2）齿轮全自动误差测量仪（仪器功能上的创新） 解决了齿轮测量参数多、测量仪器复杂、测量精度不高的难题。使一台仪器实 现了多台仪器和量具才能达到的测量功能，体现了设计者在仪器功能上的创新成就。 3）开关（新技术和新方法的创新） 机械式开关是最早的通断控制形式，但其反映的频率低，定位精度差，结构复 杂，惯性大，寿

6、命短。随着科技的发展，人们开发出触摸式、感应式、声控式、光 控式、红外线式等多种新的开关。这些新的开关设计反映出设计者对各种新技术和 新方法的创新研究。 2021/3/116 对 比 光学投影式刀具预调仪 计算机视觉型刀具预调仪 测量 原理 图示 工作 过程 将刀尖到影屏上，采用目视瞄准定 使用CCD摄像机采集被测刀具图像，测量时， 计算机影屏上的十字线自动跟踪刀具切削点， 当刀尖稳定在测量区域后，即已完成测量 优缺 点 光学投影光路的加工及调整复杂， 由人眼控制刀尖对准十字线的微细 调整过程，要求二维光栅数字系统 的导轨必须具备微调机构，增加了 机构设计的难度；而且人眼目视瞄 准的精度低，工

7、作效率差。 消除了操作者的人为误差，实现了自动化、 数字化、微米级的测量精度。 结论 这种由光学投影式瞄准原理发展为利用计算机视觉系统进行瞄准的创新，开创了 新一代刀具预调仪的发展，也为生产厂家带来了较大的经济利润和社会效益。 2021/3/117 一、创新设计思维能力的培养一、创新设计思维能力的培养 突破“思维定势”的束缚。人们往往习惯于从已有的经验和知识中，从考虑 某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案，这就是所说的思维定势。要 克服心理上的惯性，从思维定势的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中 接受有用的事物，提出新原理、创造新模式、贡献新方法，闯出新局面。 敢于标新立异。创新思维的特

8、点不仅是要突破“思维定势”的束缚，而且要 敢于标新立异，即敢于提出与前人甚至多数人不同的见解，敢于对似乎完美 的现实事物提出怀疑，寻找更合理的解法。 善于从不同角度思考问题，探索多种解法，设想多个可供选择的方案，这样， 成功的几率必然成倍增长。我们称这种思维方法为多向思维或扩散思维。 2021/3/118 创新设计的诀窍在于创新设计的诀窍在于 充分依靠现代网络信息资源有针对性的检索相关资料，补充掌握不足的信 息来达到创新构思。 在设计的整个过程中采用集多人智慧，互相启发来寻求解决问题的途径； 也可通过有针对性、有系统地提问来激发智慧，寻找解决办法 通过对现有产品的观察，优缺点分析，或采用数学建

9、模，或采用系统分析 及形态学矩阵的理论分析方法寻求各种解决办法。 举例子说明举例子说明：采用系统分析方法解决防止螺纹松动的结构措施。 螺钉锁紧力矩公式为 2 tan 2 2M MGL Dd FM 二、创新设计方法的训练二、创新设计方法的训练 1） 学习，掌握创造学理论的基本思想，掌握创新思维规律，面对来自于 自然界生存压力、社会发展需求压力、经济竞争压力、个人工作压力及自我责任 心，事业心的主客观强大压力，激发出积极、主动创造精神。 2）摸索创新设计的方法和技巧 2021/3/119 式中， 为螺钉锁紧力； 为螺纹中径； 为螺纹升角； 为螺纹摩 擦角； 为螺纹间摩擦系数； 为螺母压紧端面 时的

10、摩擦系数； 为螺钉、螺母、被连接件（或垫圈）材料的摩擦系数； 为 螺纹牙形角； 为螺母锥形压紧端面锥角之半，通常压紧为平面时 ； 为螺母 压紧端面的平均直径。 F2 d GG arctan 2/cos/ G sin/ M 0 90 M D 防止螺纹松动的结构措施，它可以从四个方面考虑：采用细牙螺纹， 使螺纹升角 减小，则锁紧力矩增大；采用大牙形角螺纹，使 增大，可 使 增大，则锁紧力矩增大；采用锥形压紧端面（锥角 180）， 愈小， 愈大，则锁紧力矩增大；采用摩擦系数 大的材料，则锁紧力矩 增大。 G 2 M 这种系统分析的方法，使研究更具科学性，减少盲目性。 2021/3/1110 第三节第

11、三节 测控仪器设计原则测控仪器设计原则 在仪器设计长期实践的基础上,形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有 普遍性的仪器设计所应遵循的基本原则与基本原理。这些设计原则与设计原理,作为 仪器设计中的技术措施,在保证和提高仪器精度,改善仪器性能,以及在降低仪器成本 等方面带来了良好的效果。 如何在仪器的总体方案中遵循或恰当地运用这些原则与原理,便是在仪器总体设 计阶段应当突出考虑的一个内容。 共有六项设计原则：共有六项设计原则： 一、阿贝(Abbe)原则及其扩展 二、变形最小原则及减小变形影响的措施 三、测量链最短原则 四、坐标系统一原则 五、精度匹配原则 六、经济原则 2021/3/1111

12、一一. 阿贝阿贝(Abbe)原则及其扩展原则及其扩展 阿贝原则定义：阿贝原则定义：为使量仪能给出正确的 测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放在被 测尺寸线的延长线上。或者说，被测零件的尺 寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一 条直线。 因此，遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，应符 合图3-1所示的安排。仪器的标准刻线尺与被 测件的直径共线。 举例说明阿贝原则举例说明阿贝原则 图31 遵守阿贝原则的测 量 1-导轨 2-指示器 3-标准线纹尺 4-被测件 5-工作台 2021/3/1112 再举一例：再举一例： 用阿贝比长仪测量线纹尺的刻线间隔，被测尺寸线W和仪器基准线S在同一条 直线上，故符

13、合阿贝原则。如果由于导轨误差，基准读数显微镜和测量使读数 显微镜支架在图示平面内产生 的转动，使基准读数显微镜的第二次瞄准位置 由 移到 此时带来的测量误差为： 因为：（1-cos）=2sin2/2 设d 被测线纹长度，且d=20mm，=1， 则引起的误差为：=20（0.0003）2/2=910-7 mm 即误差微小到可以忽略不计的程度。 2 M 2 M 2/)cos1 ( 2 dddd 可见，阿贝原则在量仪设计中的意义重大。 阿贝原则被公认为是量仪设计中最基本的原则之一，在一般的设计 情况下应尽量遵守。 但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝原则的实施，其原 因有二： 2021/3/11

14、13 1）遵守阿贝原则一般造成仪器外廓尺寸过大，特别是对线值测量范围大的仪器， 情况更为严重。 2）多自由度测量仪器，如图3-3所示的三坐标测量机，或其它有线值测量系统 的仪器。很难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝 原则。 如图3-3所示的三坐标测量机，其测量点的轨迹是测头1的行程所构成的 尺寸线，而仪器读数线分别在图示的X、Y与Z直线位置处，显然，在图示情况下 测量时，X与Y坐标方向均不遵守阿贝原则。 其中图3-3 a)为XZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方 向读数线共线，但与X方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。 其中图3-3 b)为YZ

15、平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方 向读数线共线，但与Y方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。 2021/3/1114 图3-2 工件的直径测量 b）用阿贝比较仪测量 1被测工件 2工作台 3底座 4基准刻线尺 5支架 2021/3/1115 图3-3 三坐标测量机 1-测头的触球 2-被测工件 结论结论：许多线 值测量系统的仪器， 很难做到使各个坐标 方向或一个坐标方向 上的各个平面内均能 遵守阿贝原则。 2021/3/1116 图3-3 a) 图3-3 b) 2021/3/1117 基于上述实际情况，引出了扩展阿贝原则的思路和方法。 美国学者布莱恩（J.B.Bryan

16、）建议将扩展了的阿贝原则表达如下： “位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于一条直线上。 如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际 角运动的数据计算偏移的影响。 它包含三重意思，遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。即： 1）标尺与被测量一条线； 2）如无法做到则确保导轨没有角运动； 3）或应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。 举几例来了解阿贝原则扩展定义的应用。举几例来了解阿贝原则扩展定义的应用。 以下实例的共性点：这些实例均采用了动态跟踪测量，随机补偿测量误差 的方法。动态跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为一体，一旦经过 统调和定标，则补偿

17、的精度稳定。 注：注：还可采用标准器具，对仪器进行定点测量、修正的方法。这种方法的最大 缺点是：仪器某标定点的定标条件与被测件在此标定点上的被测条件都应完全 一样，否则将造成更大的测量误差。 2021/3/1118 爱彭斯坦（爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法）光学补偿方法 爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法主要被应用于高精度测长机的读数系统 中。图3-4a为测长机原理图。 刻尺面位于焦距f相同的两个透镜N1，N2的焦面上。M2，N2与尾座联为一体， M1，N1与头座联为一体。刻尺由装在尾座内的光源照明。对零时，设0刻线成象 在s1点。测量时，尾座向左移动。当导轨平直时，设

18、相应于被测长度读数值的刻线 0亦成象在s1处时不产生误差。现假设由于导轨直线度的影响，使尾座产生倾角 ，则在测量线方向上，测端因倾斜而向左挪动 ，如无补偿措施，则此 值即为阿贝误差。 tanLh 但这时与尾座联为一体的M2，N2也随之倾斜角，这样，刻线0通过M2， N2及M1，N1便成象到s2点，则S2点相对于S1点在刻尺面上也有一挪动 量 。 12tans sf 2021/3/1119 图34 爱彭斯坦光学补偿方法 a)测长机工作原理图 b)光学补偿原理 2021/3/1120 为了补偿阿贝误差，头座需向左移动靠紧工件 ， 为使读数正确， S1S也需等于向左移动量 即 = 即 ， 于是，由尾

19、座倾斜而带来的阿贝误差，由于在仪器中设置了上述光学系统， 在读数时自动消失了，即达到了补偿的目的。这种补偿原理被称为爱彭斯坦光学 补偿原理，是通过结构布局随机补偿阿贝误差的方法。 tanLh 12tans sftanLh fh 2激光两坐标测量仪中监测导轨转角与平移的光电补偿方法激光两坐标测量仪中监测导轨转角与平移的光电补偿方法 图3-5为高精度激光两坐标测量仪，为了补偿由于导轨转角引起的的阿贝误 差，仪器采用双层工作台。下层工作台2经滚柱在底座1的导轨上作纵向移动，上 工作台3通过三个滚珠轴承4支承在下工作台上。上工作台型框板的左右各有两 个孔眼。左面两个孔眼里装有弹性顶块5，把上工作台往左

20、拉，右面两个孔眼里装 有压电陶瓷组合体6、7，其端部顶在下工作台上。利用压电陶瓷的电场-压变效 应，使上工作台相对于下工作台实现微小的平移或转角。转角将产生阿贝误差， 故在此仅介绍导轨的转角运动。 2021/3/1121 上工作台移动过程中在水平面 内的转角测量及校正原理如图3-6 所示。这里采用了激光小角度测量 法。在上工作台的左部装了一对角 隅棱镜。若上工作台移动过程中产 生转动，角隅棱镜3相对于角隅棱 镜8的光程差将有增大或缩小。这 样根据测得的偏差值的正负方向， 通过电子线路，使压电陶瓷5作相 应的伸长或缩短，以补偿上工作台 在移动过程中产生的转角。 图3-5 激光两坐标测量仪的工作台

21、原理 1-底座 2-下层工作台 3-上工作台 4-滚珠轴承 5-弹性顶块 6，7-压电陶瓷组合体 2021/3/1122 图3-6转角测量及校正原理 1-准直透镜组 2-全反射镜 3-角隅棱镜 4-上工作台 5-压电陶瓷 6-分光 移相镜 7-光电接收器 8-角隅棱镜 2021/3/1123 3以动态准直仪为标准器的电学补偿方法以动态准直仪为标准器的电学补偿方法 以动态准直仪为标准器来跟踪测量一些高精度、数字式计量仪器导轨的直 线度误差，并把测得的误差值经电路处理后转换为相应的脉冲数，输入给计数 器或计算机进行误差补偿。其电路框图如图3-7所示。 该电路比较复杂，没有充分利用计算机的功能，补偿

22、的自由度数单一。 能否请同学设计智能化自动补偿方案？ 图37 电学补偿方法原理框图 2021/3/1124 4 标准器工作点与被测点共线的平直度测量系统标准器工作点与被测点共线的平直度测量系统 在三坐标测量机上配制标准直尺和测微表，即可作直线度测量。布莱恩提 出了一种遵守阿贝原则的结构布局。 平直度测量系统的工作点应当位于垂直于滑块移动方向的，并通过被测的 平直度的测量点的方向线上。如果这不可能，那么，或者必须使传送平直度的导 轨没有角运动，或者必须用角运动的数据计算偏移的影响。 见图3-8，图中测微表6和标准直尺5组合实现沿Z向的平直度测量，测微 表15和标准直尺12组合实现沿Y向的平直度测

23、量。测端17即为Z向被测的平直 度的测量点。由于仪器导轨的直线度误差，Z向滑块移动时，可能有Y向的平移或 在Y-Z平面内的倾斜，由此将引起测量误差，为补偿该误差，布莱恩提出：将测 端17与测微表6的测端按图3-9a）布置。如若布置为如图3-9b）所示的A1点 或A2点，则不符合上面提到的原则，起不到补偿的作用。 提示： 、 为测端17的位置； 为测微表6的测端。 1 A 2 A 0 A 2021/3/1125 图3-8 平直度测量系统的结构布局 1.激光干涉仪2. 激光光路边3.测量框架4.Z轴滑块 5.标准直尺6.测微表7. 激光干涉仪8. 激光器 9. 激光干涉仪 10.仪器底座 11.测

24、量框架12. 标准直尺 13.隔振支承14.Y轴滑块 15. 测微表16.压电晶体17.测端 图3-9 标准器工作点与被测点的相互关 系 a）正确 b）不正确 思考题：如果以0点为圆心发生转动，请同 学们画图指出为什么a）正确而 b）不正确？ 2021/3/1126 平直度测量的工作点可设在 、 或 。 （ 与 共线，并垂直于平直度测量的移动方向）但由于 导轨误差将造成Z轴滑块发生位于纸面内的摆动， 因此，导轨摆动带来的误差将被引入到平直度测量 中，因此，增加了标准平尺和辅助测量头 ，用辅 助测量头 感受导轨摆动带来的误差，以便补偿该 误差。 当Z轴滑块的瞬间摆动点为O时，只有当平直 度测量的

25、工作点设在 位置时，由于导轨误差引入 的测量误差 ， 为辅助测量头 感受到的 导轨摆动带来的误差。而 ，均不能 有效补偿导轨误差。 1 A 2 A 0 A 0 A 0 A 0 A 0 A 0 A 00 0 0 A 1 0 2 0 动画演示动画演示 2021/3/1127 5遵守阿贝原则的传动部件遵守阿贝原则的传动部件 设计设计 阿贝原则虽然主要是针对几 何量中大量程线值测量仪器总体 布局设计的一条原则，但同样适 合各类仪器传动部件的设计。 图3-10 a）符合阿贝原则； 而图3-10 b）不符合阿贝原则。 为什么？请同学回答。 图3-10 传动部件遵守阿贝原则的设计 a）正确 b)不正确 20

26、21/3/1128 二、变形最小原则及减小变形影响的措施二、变形最小原则及减小变形影响的措施 变形最小原则定义变形最小原则定义：应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因受温度变 化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化。 例如：仪器承重变化 仪器结构变形 外界温度变化 仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及 系统灵敏度变化。 1减小力变形影响的技术措施减小力变形影响的技术措施 要从总体设计上，或从具体的结构设计上，考虑减小或消除力变形的影响。 （1）一米激光测长机一米激光测长机底座变形的补偿底座变形的补偿 一米激光测长机结构原理：测量头架3由电动机和变速箱6通过闭合钢带7，

27、电磁离合器8带动在导轨上移动。工件放在工作台4上，工作台也可沿导轨移动。 固定角隅棱镜9与尾座5固结在一起。可动角隅棱镜12与测量头架3内的测量主轴 11固结在一起，测量主轴可在测量头架内作5mm的轴向移动。装在干涉仪箱 体2内的激光器13发出的激光束经反射镜后由分光镜14分为两路：一路到固定角 隅棱镜9；一路到可动角隅棱镜12。这两束光在返回后发生干涉。 2021/3/1129 图3-11一米激光测长机结构原理 1底座 2干涉仪箱体 3测量头架 4工作台 5尾座 6电动机和 变速箱 7闭合钢带 8电磁离合器 9固定角隅棱镜 10尾杆 11 测量主轴 12可动角隅棱镜 13激光器 14分光镜

28、2021/3/1130 工作时： 第一步第一步，仪器对零； 第二步第二步，放上工件，开始测量，这时底座上既增加了重量,又改变了测量头架及工 作台在底座上的位置, 底座就产生新的重力变形 如果尾座轴线相对于导轨面在垂直平面内发生5倾斜角的零位变化（见图3 12）,设尾座中心高为200mm，则此时引起的零位的变动量为 为了消除上述误差的影响,此台仪器在总体布局时,采取了以下措施: 固定角隅棱镜9与尾座5固结在一起; 固定角隅棱镜9的锥顶安放在尾杆10的轴线离底座导轨面等高的同一平面 内; 可动角隅棱镜12的锥顶位于测量主轴11的轴心线上(以便符合阿贝原则); 尽可能减小固定角隅棱镜9和尾杆10在水

29、平面内的距离d。 实践证明上述结构布局可使因重力变形引起的误差大为缩小。 mmm5200 102 1 5 5 2021/3/1131 验证：验证： 图中位置 I是测量头架3对零时的位置，此时， 测量光束一路，由测量角隅棱镜到分光镜之间的距离为L1； 参考光束一路，由固定角隅棱镜到分光镜之间的距离为（Sd）。 则此两路相干光束的光程差为 （33） 11 )(2LdS 图312 测量头架位置变动的原理示意 图 2021/3/1132 图中位置II为测量头架在测量时的位置，此时，尾座有倾角 ，由此而引 起的尾杆零位变动量为 （见图312a），其中h为尾杆轴线离底座导 轨面的距离。 测量光束一路：由测

30、量角隅棱镜到分光镜之间的距离为（L1 L），其 中L为被测零件长度。由于仪器布局满足上述、两个条件，故固定角隅棱镜 的位置也有一个和尾杆方向相同、大小相等的零位变动量 。 参考光束一路：由固定角隅棱镜到分光镜的距离为（Sd） 。 在测量时，两种相干光束的光程差为 （3 4） 式（34）减去式（33），就得到测量时和对零时两个光程差的变化量为 （3 5） 即光程差的变化的正好正比于被测长度L。 1 1 h 1 1 )(2)( 2)(2 11112 LLdSLLdS nL2 12 2021/3/1133 （2）光电光波比长仪消除力变形的结构布局）光电光波比长仪消除力变形的结构布局 为减小力变形的影

31、响，仪器布局如下： 第一，第一，采用了工作台、床身、基 座三层结构的形式。工作台1在床身2 上移动，床身2通过三个钢球支承在基 座3上，基座则用三个支点支在地基上。 钢球支承和基座支点位置上重合。这样， 工作时，无论工作台1怎样移动，工作 台及床身的重量始终通过三个球支承作 用在基座上，即基座受到的三个垂直力 只有大小的变化，而无方向和位置的变 化，而且这三个力又通过基座底下的三 个相对应的支点直接作用在地基上。因 此，在工作过程中，基座变形基本稳定 不变。 图313 三层结构形式的设计 1工作台 2床身 3基座 4V形槽支承面 5平支承面板 6圆锥形球窝支承面 2021/3/1134 第二，

32、第二，在光电光波比长仪中，光电显微镜、固定参考镜和干涉系统的分光镜三 者之间的相对位置，要求严格保持不变。因此布局上把这三者都装在与基座相 连的构件上。由于基座变形稳定不变，故这三者之间相对位置也保持稳定不变。 从而保证了测量精度。 第三，第三，前面提到，床身2是通过三个钢球支承在基座3上的。这三个钢球的支承， 其支承座结构各不相同。一个支承座是平支承面5（布置在后面），前面两边的 两个，其中一个是圆锥形球窝支承面6，另一个是V形槽支承面4。V形槽的方 向与基座纵方向相平行。采用这种支承座结构后，床身一经放到基座上，就符 合定位原则。这时，床身在纵向、横向及转角方向均无需再加诸如螺钉、夹板 等

33、的限制，避免产生不良的约束所带来的附加内应力。此外，如果温度有所变 化，这种结构也并不限制床身相对于基座的自由伸缩，所以也不会因热变形而 带来内应力。这种设计，既能自动定位，又无附加内应力，在有些资料中，把 它称之为无附加内应力的自动定位设计，或称为符合运动学原理的设计。作为 一种设计原理，在仪器设计中应用很广。 2021/3/1135 2减小热变形影响的技术措施减小热变形影响的技术措施 减小热变形影响的技术措施有： 采用恒温条件，以减小温度变化量 ； 选择合适的材料，以减小线膨胀的影响，或选用线胀系数相反的材料在某些 敏感环节上进行补偿； 采用补偿法补偿温度变化的影响，如测出被测件与标准件的

34、温度 和 ，查 得被测件与标准件的线胀系数 与 ，则温度误差的修正公式为 （3-6） 式中，L为被测件的标准长度。 也可采用实时补偿法，例如：也可采用实时补偿法，例如： t 1 t 2 t 1 2 )20()20( 0 22 0 11 CtCtLL 1)如丝杠动态测量仪，由于温度的影响，被测丝杠将伸长或缩短，此外，当 环境温度、气压、湿度偏离标准状态时，激光波长也将发生变化，这些都将带 来测量误差。因此，可以采用在激光一路信号中增减脉冲数的办法来进行补偿 的方案。在补偿时， 先测出环境的温度、气压和湿度， 再计算出每米需累积补偿量 ， 再计算每米补偿量的脉冲数 ，1m长度内的激光脉冲数 为 ，

35、则每隔 脉冲，对激光一路增减一 个脉冲信号。 N)2/( )2/(101 6 M/101/ 6 NM 2021/3/1136 图314 分频补偿原理 1分频器 2补偿器 3与门 2021/3/1137 2) 扩散硅压力传感器零点温漂的补偿 扩散硅压力传感器是在硅材料的基片上，用集成电路的工艺制成扩散电阻并 组成桥路。由于采用了半导体材料的扩散技术，不可避免地产生了如下问题： 扩散电阻的离散性很大，桥路的四个电桥臂阻值R1R2R3R4； 扩散电阻的各个电阻温度系数不等，即 ； 扩散电阻随温度的非线性变化。因此，将产生严重的各不相同的零点温度漂 移和灵敏度温度漂移。 为了解决扩散硅压力传感器零点温

36、度漂移的补偿，提出了串并联、双并 联、双串联等几种补偿方案，下面以串并联为例，叙述其补偿原理。 （1） 桥路的平衡条件桥路的平衡条件 图3-15为四个扩散电阻所组成的桥路 若使桥路在所要求的温度点和温度变化 后均能平衡，则平衡条件应有二个， 即 （3-7） （3-8） 式中， 、 、 、 为在所要求温度点的电阻 、 、 、 的阻值 t 4321 R RR R 10402030 aaaa 1423 10 R 20 R 30 R 40 R 1 R 2 R 3 R 4 R 2021/3/1138 图315 电阻式桥路 图316 电阻的串联或并联形 式 a) 串联形式 b）并联形式 2021/3/11

37、39 即并联后亦能降低其电阻温度系数。即并联后亦能降低其电阻温度系数。 得 可见 ，即串联电阻后其电阻温度系数降低。 a R RR a s aa s R R R RRRs s RtaRtaR)1 ()1 ( R （2） 串、并联电阻对电阻温度系数的影响。串、并联电阻对电阻温度系数的影响。 在电阻为 的扩散电阻上串联电阻 。设串联后的等效电阻温度系数为 ，等 效电阻为 ， 的电阻温度系数为 。如图3-16a，则有： 在扩散电阻上并联电阻 。如图3-16b所示，并联后其等效电阻为： p R 即 p p RtaR RtaR taR )1 ( )1 ( )1 ( 得 tRaRR aR a p p 因

38、RRRa t p R RR RR p p 故 a R a RR p p 可见 aa 2021/3/1140 RRR a R RR a s s 1010 1 10 10 1 桥臂2上的等效电阻和等效温度系数分别为： 2 20 2 20 20 20 a RR R a RR RR R p p p p （39） （310） （3） 串并联电阻补偿原理串并联电阻补偿原理 见图3-17，在 上串联 ，在 上并 联 。这样，桥臂1上的等效电阻和等效温度系数分别为 p R 1 R s R 2 R 将式（3-9）、式（3-10）代入电桥平衡公式（3-7）及（3- 8），得： （311） （312） 令 ，故 （

39、313） ()RRRR R R RR s p p 10402030 20 0 0 3 20 24 10 10 1 a RR R aa RR R a p p s K R RR p p 20 RR K K p 20 1 2021/3/1141 图317 串并联电阻补偿原理 2021/3/1142 p R s R 又由式（3-11）得 （3-14） 将式（3-13）、（3-14）代入式（3-12），解得 由K的定义知K0，故取上式根号前的正值得 （3-15） 在此，将桥路的各电阻和 值代入(3-15)便可求得K值，再将K值代入式 （3-13）、式（3-14）就可以求出 和 。这样求出的 和 值能够同

40、 时满足式（3-11）和式（3-12），也就是说在有温度变化时，电桥总是处在平 衡的条件下，这就达到了补偿温度漂移的目的。 R R R R KR s 2030 40 10 K aa a aa a R R R R a a 43 2 43 2 2 1040 2030 1 2 22 K aa a aa a R R R R a a 43 2 43 2 2 1040 2030 1 2 22 p R s R 2021/3/1143 三、测量链最短原则三、测量链最短原则 测量链定义：仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件，如被测件、 标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链。 在精密测量仪器中，根据各环节对

41、仪器精度影响程度的不同，可将仪器中的 结构环节区分为测量链、放大指示链和辅助链三类。 测量链的误差对仪器精度的影响最大，一般都是1:1影响测量结果。因此， 对测量链各环节的精度要求应最高。 因此测量链最短原则显然指一台仪器中测量链环节的构件数目应最少，即测 量链应最短。因此，测量链最短原则作为一条设计原则要求设计者予以遵守。 2021/3/1144 四、四、 坐标系统一原则坐标系统一原则 以上设计原则，一般都是从某台仪器总体出发考虑的。而坐标系统一原则,则 是对仪器群体之间的位置关系,相互依赖关系来说的,或主要是针对仪器中的零件 设计及部件装配要求来说的。 对零部件设计来说，对零部件设计来说，

42、这条原则是指：在设计零件时，应该使零件的设计基 面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够 较经济地获得规定的精度要求而避免附加的误差。 例如，图318所示的零件，两个直径d1及d2的设计基面及工艺基面均 为中心线OO。在测量时，若用顶尖支承进行（见图3-18），则测量基准和设 计基准、工艺基准重合，此时能真正地反映d2的圆柱度等加工误差。但若以d1 的外圆柱面为测量基准时（见图3-19），则d1的形状误差也就反映到测量结 果中，带来附加的测量误差。 2021/3/1145 图318 顶尖支承法测径向圆心晃动 图319 V形支承法测径向圆 心晃动 2021/3/1146 对仪器群体之间（主系统与子系统之间）的位置关系对仪器群体之间（主系统与子系统之间）的位置关系,相互依赖关相互依赖关 系来说系来说,